ЭЛЕКТРОСТАТИКА. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Основные формулы

Закон Кулона

р_ Q.Q2

4я£о£Г

где F — сила взаимодействия точечных зарядов Q\ и Q₂; г — расстояние между зарядами; е — диэлектрическая проницаемость; е₀ — электрическая постоянная.

Напряженность электрического поля и потенциал

E=F/Q, <p=II/Q,

где П — потенциальная энергия точечного положитель­ного заряда Q, находящегося в данной точке поля (при условии, что потенциальная энергия заряда, удаленного в бесконечность, равна нулю).

Сила, действующая на точечный заряд, находящийся в электрическом поле, и потенциальная энергия этого заряда

F=QE,n=Qcp.

Напряженность и потенциал поля, создаваемого системой точечных зарядов (принцип суперпозиции электрических полей),

ЛГ N

1=1 1=1

где Ег, ф, — напряженность и потенциал в данной точке поля, создаваемого г-м зарядом.

Напряженность и потенциал поля, создаваемого точечным зарядом,

_Е== Q ф=_^_

4яе₀ЕГ² ' ^т 4ле₀ег '

где г — расстояние от заряда Q до точки, в которой опре­деляются напряженность и потенциал.

Напряженность и потенциал поля, создаваемого про­водящей заряженной сферой радиусом R на расстоянии г от центра сферы:

^{б) Ј=}-4^F^; 4>=-di3f ^{(при г==/?);}

в) £=—^-_Т; Ф = ^-2— (при r>R),

' 4ле₀Е/-² ^ 4яё₀ёг

где Q — заряд сферы.

Линейная плотность заряда

t=Q//.

Поверхностная плотность заряда a=Q/S.

Напряженность и потенциал поля, создаваемого рас­пределенными зарядами. Если заряд равномерно распре­делен вдоль линии слинейной плотностью т, то налинии выделяется малый участокдлиной d/ с зарядомdQ =

= xd/. Такой заряд можно рассматривать как точечный и применять формулы

, — i&l г , xd/

4ле₀ег² I ' 4яе₀ел '

где г — радиус-вектор, направленный от выделенного элемента d/ к точке, в которой вычисляется напряжен­ность.

Используя принцип суперпозиции электрических по­лей, находим интегрированием напряженность Е и потен­циал ф поля, создаваемого распределенным зарядом:

г, т f d/ г Е = ~л-------- ) — — > Ф 4ЛЕг>Е J. гг Г '

Г d/

4ЛЕ0Е •'.Л² Г ' 4лЕоЕ J, Г

Интегрирование ведется вдоль всей длины / заряжен­ной линии (см. примеры 5 и 8).

Напряженность поля, создаваемого бесконечной пря­мой равномерно заряженной линией или бесконечно длинным цилиндром,

Е = ——

2лЕоЕГ '

где г — расстояние от нити или оси цилиндра до точки, напряженность поля в которой определяется.

Напряженность поля, создаваемого бесконечной рав­номерно заряженной плоскостью,

£ = _£-.

2ёоё

Связь потенциала с напряженностью:

а) E = -grad<p, или Е= -( |-£+j^-fk^) в об-

щем случае;

б) Ј=((pi — ф2)/с/ в случае однородного поля;

в) £=----- -р в случае поля, обладающего централь­
ной или осевой симметрией.

Электрический момент диполя

P = IQH,

где Q — заряд; I — плечо диполя (векторная величина, направленная от отрицательного заряда к положитель­ному и численно равная расстоянию между зарядами).

Работа сил поля по перемещению заряда Q из точки поля с потенциалом ф] в точку с потенциалом ф₂

^12=С?(ф1 —фг).

Эл ектроем кость

С=С?/ф, или C=Q/U,

где ф — потенциал проводника (при условий, что в беско­нечности потенциал проводника принимается равным нулю); U — разность потенциалов пластин конденсатора. Электроемкость плоского конденсатора C = EoeS/d,

где 5 — площадь пластины (одной) конденсатора; d — расстояние между пластинами.

Электроемкость батареи конденсаторов:

1 ^N 1

а) -7г= 2 -тг при последовательном соединении;

N

б) С= 2 & ^ПР^И параллельном соединении,

;= i где N — число конденсаторов в батарее. Энергия заряженного конденсатора:

W=QU/2, W=CU²/2, W=Q²/{2C).

Сила постоянного тока

I=Q/t,

где Q — заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время t. Плотность тока

/W/S,

где 5 — площадь поперечного сечения проводника.

Связь плотности тока со средней скоростью (и) направленного движения заряженных частиц

где Q — заряд частицы; п — концентрация заряженных частиц.

Закон Ома:

а) /= ''" ~^фг = — для участка цепи, не содержащего

А А

ЭДС, где ф1— ц>2=и — разность потенциалов (напря­жение) на концах участка цепи; R — сопротивление участка;

б) /=-"—2_i—s_ д_Ля участка цепи, содержащего

ЭДС, где S— ЭДС источника тока; R — полное сопро­тивление участка (сумма внешних и внутренних сопро­тивлений);

иг

^в) ^— в | _D Для замкнутой (полной) цепи, где R—

внешнее сопротивление цепи; /?, — внутреннее сопротив­ление цепи.

Законы Кирхгофа:

а) 2^ = 0—первый закон;

б) 2 IiRi=2_lЈ i — второй закон,

где 2 /; — алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле; 2 hRi — алгебраическая сумма произведений сил

токов на сопротивления участков; 2 £ i — алгебраическая сумма ЭДС.

Сопротивление R и проводимость G проводника

R = pt/S, G = yS/l,

где р — удельное сопротивление; у — удельная прово­димость; / — длина проводника; S — площадь поперечно­го сечения проводника.

Сопротивление системы проводников:

а) /?=2 Ri при последовательном соединении;

б) —= У. -jr- при параллельном соединении, где Ri —

сопротивление /-го проводника. Работа тока:

А = Wt, A = I²Rt, A = U²t/R.

Первая формула справедлива для любого участка цепи, на концах которого поддерживается напряжение U, последние две — для участка, не содержащего ЭДС. Мощность тока:

P = W, P = PR, Р = U²/R.

Закон Джоуля—Ленца

Q = I²Rt. Закон Ома в дифференциальной форме

где у — удельная проводимость; Е — напряженность электрического поля; j — плотность тока.

Связь удельной проводимости у с подвижностью Ь заряженных частиц (ионов)

y=Qn{b+ + b-),

где Q — заряд иона; п — концентрация ионов; Ь+ и Ь_ — подвижности положительных и отрицательных ионов.

Примеры решения задач

Пример 1.Два точечных заряда 9Q и —Q закреплены на расстоянии / = 50 см друг от друга. Третий заряд Qi может перемещаться только вдоль прямой, проходящей через заряды. Определить положение заряда Q\, при котором он будет находиться в равновесии. При каком знаке заряда Qi равновесие будет устойчивым?

T^S

Решение. Заряд Q\ находится в равновесии в том случае, если геометрическая сумма сил, действующих на него, равна нулю. Это значит, что на заряд Q\ дол­жны действовать две силы, равные по модулю и проти­воположные по направлению. Рассмотрим, на каком из трех участков /, //, /// (рис. 10) может быть выполнено это условие. Для определенности будем считать, что заряд Q\ — положительный.

Рис. 10

На участке / (рис. 10, а) на заряд Qi будут дей­ствовать две противоположно направленные силы: Fi и F2. Сила Fi, действующая со стороны заряда 9Q, в любой точке этого участка больше силы F2, действующей со стороны заряда — Q, так как больший заряд 9Q находится всегда ближе к заряду Qi, чем меньший

 

(по модулю) заряд — Q. Поэтому равновесие на этом участке невозможно.

На участке // (рис. 10, б) обе силы Fi и F2 направ­лены в одну сторону — к заряду — Q. Следовательно, и на втором участке равновесие невозможно.

На участке /// (рис. 10, в) силы Fi и F₂ направлены в противоположные стороны, так же как и на участке/, но в отличие от него меньший заряд — Q всегда нахо­дится ближе к заряду Q\, чем больший заряд 9Q. Это значит, что можно найти такую точку на прямой, где силы Fi и F2 будут одинаковы по модулю, т. е.

Fi = F₂. (1)

Пусть х и I -\- х — расстояние от меньшего и боль­шего зарядов до заряда Q\. Выражая в равенстве (1) F\ и F₂ в соответствии с законом Кулона, получим 9Q Qi/(/ + xf= Q Q]/x², или / + x = ± Зх, откуда

*i = + 1/2, x₂=- 1/4.

Корень Х2 не удовлетворяет физическому условию задачи (в этой точке силы Fi и F₂ хотя и равны по модулю, но сонаправлены).

Определим знак заряда Q\, при котором равновесие будет устойчивым. Равновесие называется устойчивым, если при смещении заряда от положения равновесия возникают силы, возвращающие его в положение равно­весия. Рассмотрим смещение заряда Q\ в двух случаях: когда заряд положителен и отрицателен.

Если заряд Qi положителен, то при смещении его влево обе силы F\ и Fi возрастают. Так как сила F\ воз­растает медленнее, то результирующая сила, действую­щая на заряд Q\, будет направлена в ту же сторону, в которую смещен этот заряд, т. е. влево. Под действием этой силы заряд Q\ будет удаляться от положения равно­весия. То же происходит и при смещении заряда Qi вправо. Сила F₂ убывает быстрее, чем Fi. Геометриче­ская сумма сил в этом случае направлена вправо. Заряд под действием этой силы также будет перемещаться вправо, т. е. удаляться от положения равновесия. Таким образом, в случае положительного заряда равновесие является неустойчивым.

Если заряд Q\ отрицателен, то его смещение влево вызовет увеличение сил Fi и F2, но сила Fi возрастает медленнее, чем F2, т. е. |F2l>|Fi|. Результирующая сила будет направлена вправо. Под ее действием заряд Qi

возвращается к положению <Ь

равновесия. При смещении Q\ /i\

вправо сила F₂ убывает быст- / I \

рее, чем Fi, т. е. |Fi|>|F₂|, ре- _/ \

зультирующая сила направле- / л, \

на влево и заряд Qi опять бу- (y^Q^^ \

дет возвращаться к положе- hay^ri ^^Х^УЛ

нию равновесия. При отрица- /Qyi" ~_г ^

тельном заряде равновесие яв- ^i^-Zrh
ляется устойчивым. Величина
самого заряда Q\ несущест- Рис. 11

венна.

Пример2. Три точечных заряда Q\ = Q2 = <2з = 1 нКл расположены в вершинах равностороннего треугольника. Какой заряд Q₄ нужно поместить в центре треугольника, чтобы указанная система зарядов находилась в равно­весии?

Решение. Все три заряда, расположенные по вер­шинам треугольника, находятся в одинаковых условиях. Поэтому достаточно выяснить, какой заряд следует по­местить в центре треугольника, чтобы какой-нибудь один из трех зарядов, например Qi, находился в равновесии. Заряд Qi будет находиться в равновесии, если век­торная сумма действующих на него сил равна нулю (рис. 11):

F₂ + F₃ + F₄=F + F₄ = 0, (1)

где F₂, F₃, F₄ — силы, с которыми соответственно дей­ствуют на заряд Qi заряды Q₂, Q3, Qi\ F — равнодей­ствующая сил F₂ и F₃.

Так как силы F и F₄ направлены по одной прямой в
противоположные стороны, то векторное равенство (1)
можно заменить скалярным: F — Fa =0, откуда F₄ = F.
Выразив в последнем равенстве F через F₂ и /^ и учиты­
вая, что /"з = F₂, получим ₍

Fi = F₂ V^( 1 + cos a).

Применив закон Кулона и имея в виду, что Q₂ = Q3 = = Q_lt найдем

Q,Q4

■=^5W2(l+cosa),

4яеоП 4яе₀г

откуда

q_{4 =} -Ј^lV(2(l+cosa). (2)

Проверим, дает ли рас­четная формула единицу ли-

Из геометрических построений в равностороннем тре­угольнике следует, что

г/2 г

Г|

—т=, cos a = cos 60° = 1 /2.

cos (а/2) 2cos30°

С учетом этого формула (2) примет вид Q₄ = Q,/V3 .

Произведем вычисления: Q₄ = КГ⁹/УЗ Кл = 5,77-10"¹⁰ Кл = 577 пКл.

Следует отметить, что равновесие системы зарядов будет неустойчивым.

Пример3. На тонком стержне длиной / = 20 см нахо­дится равномерно распределенный электрический заряд. На продолжении оси стержня на расстоянии а— 10 см от ближайшего конца находится точечный заряд Qi = = 40 нКл, который взаимодействует со стержнем с си­лой F = 6 мкН. Определить линейную плотность т заряда на стержне.

Решение. Сила взаимодействия F заряженного стержня с точечным зарядом Qi зависит от линейной плотности т заряда на стержне. Зная эту зависимость, можно определить т. При вычислении силы F следует иметь в виду, что заряд на стержне не является точеч­ным, поэтому закон Кулона непосредственно применить нельзя. В этом случае можно поступить следующим образом. Выделим из стержня (рис. 12) малый участок Аг с зарядом dQ = таг. Этот заряд можно рассматривать как точечный. Тогда, согласно закону Кулона,

Qixdr 7?-

dF =

4лео'

Интегрируя это выражение в пределах от а до a -f- /, получаем

Г _d^ _ Qit/ J__________ \_\ J г2 4лео\ a a -\- l)

Qnl

F =

4лЕ0а(а + /) '

а + I 4лео ' '²

4леоа(а + /) F oTt

йг

Рис. 12

нейной плотности электрического заряда. Для этого в правую часть формулы вместо символов величин подста­вим их единицы:

1 Кл 1 Н-1 Кл

[а] [а + 1} [F] _ 1Ф/м-1 м-1 м-1 Н _ 1Ф-1 Н _

Кл-1 м 1 Н 1 Дж/Кл

[QUI]

гн

1 Кл/м.

1 Кл/В-1Н 1 Кл

1 В

1 Н-м

Найденная единица является единицей линейной плот­ности заряда.

Произведем вычисления:

0,1(0,1 +0,2)-6-10-9-109-4-10-в-0,2

Кл/м = 2,5-Ю-"⁹ Кл/м ж, 2,5 нКл/м.

Пример 4.Два точечных электрических заряда Qi = 1 нКл и Q₂ = —2 нКл находятся в воздухе на рас­стоянии £?=10см друг от друга. Определить напря­женность Е и потенциал ф поля, создаваемого этими зарядами в точке А, удаленной от заряда Qi на расстоя­ние г\ = 9 см и от заряда Q₂ на г₂ = 7 см.

Решение. Согласно принципу суперпозиции элек­трических полей, каждый заряд создает поле независимо от присутствия в пространстве других зарядов. Поэтому напряженность Е электрического поля в искомой точке может быть найдена как геометрическая сумма напря-женностей Ei и Е₂ полей, создаваемых каждым зарядом в отдельности: Е = Ei + E₂. Напряженности электриче­ского поля, создаваемого в воздухе (е = 1) зарядами Qi и Qi,

(1)

IQ.I

4яеоП

Е2 =

(2)

IQ>I

4яёо'2 '

 

Рис. 13

Вектор Е-1 (рис. 13) направлен по силовой линии от заряда Q_lt так как этот заряд положителен; вектор Е₂ направлен также по силовой линии, но к заряду Q₂, так как этот заряд отрицателен.

 

(4)

Модуль вектора Е найдем по теореме косинусов: Ј=yЈ? + Јg + 2Ј,Ј₂cosa,

(3)

где а — угол между векторами Ei и Е₂, который может быть найден из треугольника со сторонами п, г₂ и d:

d² — г² — г²

cosa■■

В данном случае во избежание

2пг_г

громоздких записей удобно значение cosa вычислить отдельно:

cosa:

0,238.

(0,1)² - (0.09)² - (0,07)² _

2-0,09-0,07

Подставляя выражение Е\ из (1) и £₂ из (2) в (3) и вынося общий множитель 1/(4ле₀) за знак корня, полу­чаем

-л/~~^ j 1.0 !<?•!

тт.—cosa . г\Г\

4ле,

Г2

TV -7Г^Н

В соответствии с принципом суперпозиции электриче­ских полей потенциал ф результирующего поля, созда­ваемого двумя зарядами Q\ и Q₂, равен алгебраической сумме потенциалов;

Ф=ф1+ф2- (5)

Потенциал электрического поля, создаваемого в ва­кууме точечным зарядом Q на расстоянии г от него, выра­жается формулой

Q

<р=-г*-- (⁶)

^т 4ЛЕ0Г ^v '

ф:

В нашем случае согласно формулам (5) и (6) получим

4леоГ|

или

4лЕо/'2 '

ф:

4л£о Произведем вычисления: £ =

г, г₂) '

-V

(Ю-9)2 . (2-10"9)2

Ю^9-2-10

4л/(4л-9-10⁹)

(0,09)4 ' (0,07)4 ' (0,09)2-(0,07) = 3,58-103 В/м = 3,58 кВ/м; 1 / 10"9 , -2-10

/ 10~9 \ 0,09

-)в = -157В.

0,07

4л/(4л-9-109)

(-0,238) В/м =

 

Рис. 14

Пример 5.По тон­кому кольцу равно­мерно распределен за­ряд Q = 40 нКл с ли­нейной плотностью т = = 50нК.л/м. Опреде­лить напряженность Е электрического поля, создаваемого этим за­рядом в точке А, лежа­щей на оси кольца и удаленной от его цен­тра на расстояние, рав­ное половине радиуса.

Решение. Сов­местим координатную плоскость хОу с плоскостью коль­ца, а ось Oz — с осью кольца (рис. 14). На кольце выделим малый участок длиной d/. Так как заряд dQ = xd/, находящийся на этом участке, можно считать точечным, то напряженность dE электрического поля, создаваемого этим зарядом, может быть записана в виде

xd/ г

dE =

4ле₀'

где г — радиус-вектор, направленный от элемента d/ к точке А.

Разложим вектор dE на две составляющие: dEi, пер­пендикулярно плоскости кольца (сонаправленную с осью Oz), и dE2, параллельную плоскости кольца (плос­кости хОу), т. е.

dE=dE, + dE₂.

Напряженность Е электрического поля в точке А найдем интегрированием".

Me.+Se₂,

где интегрирование ведется по всем элементам заряженно­го кольца. Заметим, что для каждой пары зарядов dQ и dQ'(dQ= dQ'), расположенных симметрично относительно центра кольца, векторы dE₂ и dE₂ в точке А равны по модулю и противоположны по направлению: dE₂=—dE₂.

Поэтому векторная сумма (интеграл) \dE₂=0. Состав-

L

ляющие dEi для всех элементов кольца сонаправлены

 

4—105

с осью Oz (единичным вектором к), т.е. dE, = kdЈ"j. Тогда

xdl

kjdfb

Так как &Е-

4леоГ2 :(/?/2)/r=l/V5, то

4т

xdf

, r = Vtf²+(/?/2)² = ^5R/2 и cosa=

dЈi =

4яео

5/?2V5"

5-\/5яе0Л2

d/ = -

областях (рис. 15): обла­сти I(ri<Ri), области // (/?1</-2</?г), области /// (г₃>Я₂).

1. Для определения на­пряженности Е\- в области / проведем гауссову повер­хность Si радиусом Г\ и воспользуемся теоремой Остроградского—Гаусса:

 

Таким образом,

2т

Е=к$

то1/

2лЯ

-=k-

5У5е0Я

о 5-^5keoR²

2т2лт

4ят

Из соотношения Q = 2nRx определим радиус кольца: /?=Q/(2nt). Тогда

Е = к

5~\J5eoQ

5V5eoQ Модуль напряженности

4лт²

5-\/5eoQ

Проверим, дает ли правая часть полученного равен­ства единицу напряженности (В/м):

1 Кл 1 Ф-1 м

1 В/м.

[т²](1 Кл/м)²

[eolIQ]

1 Ф/м • 1 Кл

Выразим физические величины, входящие в форму­лу (1), в единицах СИ (т=5-10~⁸ Кл/м, <Э=4.кНКл, ео=8,85- Ю^-12 Ф/м) и произведем вычисления:

■В/м = 7,92 кВ/м.

4-3,14-(5-10"⁸)²

&V5-8,85-l(r¹²-4-l(r

Пример 6.Две концентрические проводящие сферы радиусами /?i = 6cm и /?₂= 10 см несут соответственно заряды (?1 = 1нКл и Q₂=—- 0,5 нКл. Найти напряжен­ность Е поля в точках, отстоящих от центра сфер на рас­стояниях /-1 = 5 см, г₂ = 9 см, г₃= 15 см. Построить график Е(г).

Решение. Заметим, что точки, в которых требуется найти напряженности электрического поля, лежат в трех

 

!,

Рис. 15

Ј„dS = 0

(так как суммарный заряд, находящийся внутри гауссо­вой поверхности, равен нулю). Из соображений симметрии

Е_п=Е\ = const. Следовательно, Јi® dS = 0 и £| (напря­женность поля в области /) во всех точках, удовлетворяю­щих условию ri<.Ri, будет равна нулю.

2. В области // гауссову поверхность проведем радиу­сом г₂. В этом случае*

\ E_ndS=Qi/e₀,

(так как внутри гауссовой поверхности находится только заряд Qi).

Так как Е_п = Е = const, то Е можно вынести за знак интеграла:

е\ dS = Qi/e₀, или ES₂=Qi/zo.

Обозначив напряженность Е для области // через Ег, получим

Ј₂=Qi/(eoS₂), где S₂ = 4nr₂ — площадь гауссовой поверхности. Тогда

(1)

4яёо7Г'

3. В области /// гауссова поверхность проводится ра­диусом гз. Обозначим напряженность Е области /// через

* Диэлектрическую проницаемость е среды будем считать равной единице (вакуум).

 

4*

Е₃ и учтем, что в этом случае гауссова поверхность охва­тывает обе сферы и, следовательно, суммарный заряд бу­дет равен Qi + Q₂. Тогда

Р _ Ql + <?2

4ле₀Гз

Заметив, что Q₂<0, это выражение можно переписать в виде

_Е Q.-IQ_ai ₍₂₎

4леоЛз ^v

Убедимся в том, что правая часть равенств (1) и (2) дает единицу напряженности:

1 Кл 1 Ф-1 м

[ Q] 1 Кл

1 Ф/м-1 м2

= 1 В/м.

Выразим все величины в единицах СИ (Qi=10 ⁹ Кл, Q₂= — 0,5-1 СГ⁹Кл, /-, = 0,09 м, /-2 = 0,15 м, 1/(4ле₀) = = 9-10⁹м/Ф) и произведем вычисления:

£2 = 9-10⁹^_тВ/м=1,11 кВ/м;

-В/м = 200 В/м.

(0,09)' £₃ = 9.10⁹⁽¹-°'^5)1(Г

(0,15)^г

Построим график Е(г). В области I(n<.R\) E = 0. В области // (#1<><с/?2) Е₂ {г) изменяется по закону 1/г². В точке r = R\ напряженность Ј"2(/?i) = Q1 /(4эте₀/?1) = = 2,5кВ/м. В точке r=R₂ (r стремится к R₂ слева) £₂(7?₂) = Q_l/(Ane₀Rl) = 0,9 кВ/м. В области /// {r>R₂) Е₃{г) изменяется по закону 1/л², причем в точке r=R₂ (г стре­мится к R₂ справа) E₃(R₂) = {Q\ — |Q2l/(4ne₀/?l) = = 0,45 кВ/м. Таким образом, функция Е(г) в точках

Е,кВ/м п

г = R\ и г = R₂ терпит раз­рыв.

2.50

0,90

0,45----------------

Рис. 16

График зависимости Е_г представлен на рис. 16. Пример 7.Точечный заряд Q = 25 нКл нахо­дится в поле, созданном прямым бесконечным ци­линдром радиусом R = = 1 см, равномерно заря­женным с поверхностной плотностью о=0,2 нКл/см².

Определить силу F,. действующую на заряд, если его рас­стояние от оси цилиндра г== 10 см.

Решение. Значение силы F, действующей на то­чечный заряд Q, находящийся в поле, определяется по формуле

F=QE, (1)

где Е — напряженность поля.

Как известно, напряженность поля бесконечно длин­ного равномерно заряженного цилиндра

где т — линейная плотность заряда.

Выразим линейную плотность т через поверхностную плотность о. Для этого выделим элемент цилиндра дли­ной / и выразим находящийся на нем заряд Q двумя способами: Q=oS = a2nRl, Q = xl. Приравняв правые части этих формул и сократив полученное равенство на /, найдем т = 2л/?0. С учетом этого формула (2) примет вид Е— Ro/(Eor). Подставив выражение £ в (1), получим

_F=r QeR Произведем вычисления:

F = ^2,5₈'^"io-._г'⁰к)⁶' * Н = 5,65 • 10,-⁴ Н=565 мкН.

Сила F сонаправлена с напряженностью Е, которая в силу симметрии (цилиндр бесконечно длинный) пер­пендикулярна поверхности цилиндра.

Пример8. По тонкой нити, изогнутой по дуге окруж­ности, равномерно распределен заряд с линейной плот­ностью т=10нКл/м. Определить напряженность Е и потенциал ф электрического поля, создаваемого таким распределенным зарядом в точке, совпадающей с цент­ром кривизны дуги. Длина / нити составляет '/з длины окружности и равна 15 см.

Решение. Выберем оси координат так, чтобы на­чало координат совпадало с центром кривизны дуги, а ось Оу была бы симметрично расположена относительно концов дуги (рис. 17). На нити выделим элемент длины d/. Заряд dQ = rd/, находящийся на выделенном участке, можно считать точечным.

 

315.Бесконечный тонкий стержень, ограниченный с
одной стороны, несет равномерно распределенный заряд
с линейной плотностью т = 0,5 мкКл/м. Определить на­
пряженность Е электрического поля, создаваемого рас­
пределенным зарядом в точке А, лежащей на оси стерж­
ня на расстоянии а = 20 см от его начала.

316.По тонкому кольцу радиусом /? = 20см равно­мерно распределен с линейной плотностью т = 0,2 мкКл/м заряд. Определить напряженность Е электрического по­ля, создаваемого распределенным зарядом в точке А, находящейся на оси кольца на расстоянии h = 2R от его центра.

317.По тонкому полукольцу равномерно распределен заряд Q = 20 мкКл с линейной плотностью т=0,1 мкКл/м. Определить напряженность Е электрического поля, со­здаваемого распределенным зарядом в точке О, совпа­дающей с центром кольца.

318.Четверть тонкого кольца радиусом R=10 см несет равномерно распределенный заряд Q = 0,05mkKji. Определить напряженность Е электрического поля, со­здаваемого распределенным зарядом в точке О, совпа­дающей с центром кольца.

319.По тонкому кольцу равномерно распределен заряд Q= 10 нКл с линейной плотностью т=0,01 мкКл/м. Определить напряженность Е электрического поля, создаваемого распределенным зарядом в точке А, лежа­щей на оси кольца и удаленной от его центра на расстоя­ние, равное радиусу кольца.

320.Две трети тонкого кольца радиусом Я=\0см несут равномерно распределенный с линейной плотностью т=0,2 мкКл/м заряд. Определить напряженность Е элек­трического поля, создаваемого распределенным зарядом в точке О, совпадающей с центром кольца.

321.На двух концентрических сферах радиусом R и 2R равномерно распределены заряды с поверхностными плотностями а, и а₂ (рис. 24). Требуется: 1) используя теорему Остроградского—Гаусса, найти зависимость Е(г) напряженности электрического поля от расстояния для трех областей: /, // и ///. Принять oi = 4o, 02 = 0; 2) вы­числить напряженность Е в точке, удаленной от центра на расстояние г, и указать направление вектора Е. Принять а = 30 нКл/м², r = l,5R; 3) построить график Е(_Г).

322.См. условие задачи 321. В п. 1 принять а,==а, 02=—о. В п. 2 принять (т = 0,1 мкКл/м², г=3.

 

323.См. условие задачи 321. В п. 1 принять 0i =—4а, 02 = ст. В п. 2 принять ст = 50 нКл/м², r—l,5R.

324.См. условие задачи 321. В п. 1 принять а\ = —2ст, 02 = а. В п. 2 принять а = 0,1 мкКл/м², r=3/?.

325.На двух бесконечных параллельных плоскостях равномерно распределены заряды с поверхностными плотностями 0i и 0₂ (рис. 25). Требуется: 1) используя теорему Остроградского—Гаусса и принцип суперпози­ции электрических полей, найти выражение Е{х) напря­женности электрического поля в трех областях: /, // и ///. Принять 0i = 20, 02 = о; 2) вычислить напряженность Е поля в точке, расположенной слева от плоскостей, и ука­зать направление вектора Е; 3) построить график Е(х).

///

Рис. 24

Рис. 25

326.См. условие задачи 325. В п. 1 принять 0i = = —4о, 02=20. В п. 2 принять о=40 нКл/м² и точку расположить между плоскостями.

327.См. условие задачи 325. В п. 1 принять 0i = o, 02= —2о. В п. 2 принять 0 = 20 нКл/м² и точку располо­жить справа от плоскостей.

Рис. 26

328.На двух коак­
сиальных бесконечных
цилиндрах радиусами R
и 2R равномерно распре­
делены заряды с поверх­
ностными ПЛОТНОСТЯМИ 01
и 0₂ (рис. 26). Требуется:
1) используя теорему
Остро градского—Гаусса:
найти зависимость Е(г)
напряженности электри­
ческого поля от расстоя­
ния для трех областей:

/, // и ///. Принять о\ = — 2о, о₂ = а; 2) вычислить напря­женность Е в точке, удаленной от оси цилиндров на рас­стояние г, и указать направление вектора Е. Принять а = 50 нКл/м², г — 1,5/?; 3) построить график Е(г).

2Г I I

329. См. условие задачи 328. В п. 1 принять o"i = a, 02=—а. В п. 2 принять 0 = 60 нКл/м², r=3R.

330. См. условие задачи 328. В п. 1 принять 0i = —0, or₂=4o. В п. 2 принять 0 = 30 нКл/м², /- = 4/?.

331. Два точечных заряда Qi = 6 нКл и Q₂ = 3 нКл находятся на расстоянии d = 60 см друг от друга. Какую работу необходимо совершить внешним силам, чтобы уменьшить расстояние между зарядами вдвое?

332. Электрическое поле создано заряженным прово­дящим шаром, потенциал ф которого 300 В. Определить работу сил поля по перемещению заряда <3 = 0,2мкКл из точки / в точку 2 (рис. 27).

 

р	—,	?—	-----	— -о
—'	Ш* 1		2R
				*

I

2а

Рис. 27

Рис. 28

333. Электрическое поле создано зарядами Q\ = = 2 мкКл и Q₂ =—2 мкКл, находящимися на расстоянии а= 10 см друг от друга. Определить работу сил поля, совершаемую при перемещении заряда (? = 0,5мкКл из точки 1 в точку 2 (рис. 28).

334. Две параллельные заряженные плоскости, по­верхностные плотности заряда которых о\ = 2 мкКл/м² и 0₂ = —0,8 мкКл/м², находятся на расстоянии d = = 0,6 см друг от друга. Определить разность потенциа­лов U между плоскостями. _ч

335. Диполь с электрическим моментом р = 100 пКл- м свободно установился в свободном электрическом поле напряженностью Е = 200 кВ/м. Определить работу внешних сил, которую необходимо совершить для поворо­та диполя на угол а= 180°.

 

336.Четыре одинаковых капли ртути, заряженных до потенциала ф= 10 В, сливаются в одну. Каков потен­циал ф1 образовавшейся капли?

337. Тонкий стержень согнут в кольцо радиусом R = = 10 см. Он равномерно заряжен с линейной плотностью заряда т = 800 нКл/м. Определить потенциал ф в точке, расположенной на оси кольца на расстоянии h = 10 см от его центра.

338.Поле образовано точечным диполем с электри­ческим моментом р = 200 пКл • м. Опредить разность потенциалов U двух точек поля, расположенных симмет­рично относительно диполя на его оси на расстоянии г = = 40 см от центра диполя.

 

339.Электрическое поле образовано бесконечно длин­ной заряженной нитью, линейная плотность заряда кото­рой т"= 20 пКл/м. Определить разность потенциалов U двух точек поля, отстоящих от нити на расстоянии г\ = 8 см и г% = 12 см.

340.Тонкая квадратная рамка равномерно заряжена с линейной плотностью заряда т = 200 пКл/м. Опреде­лить потенциал ф поля в точке пересечения диагоналей.

341.Пылинка массой т = 200 мкг, несущая на себе заряд Q = 40 нКл, влетела в электрическое поле в на­правлении силовых линий. После прохождения разности потенциалов U = 200 В пылинка имела скорость v = = 10 м/с. Определить скорость vo пылинки до того, как она влетела в поле.

 

342.Электрон, обладавший кинетической энергией Т = 10 эВ, влетел в однородное электрическое поле в направлении силовых линий поля. Какой скоростью будет обладать электрон, пройдя в этом поле разность потен­циалов U = 8 В?

343.Найти отношение скоростей ионов Си⁺⁺ и К⁺, прошедших одинаковую разность потенциалов.

344.Электрон с энергией Т = 400 эВ (в бесконечнос­ти) движется вдоль силовой линии по направлению к поверхности металлической заряженной сферы радиусом R = 10 см. Определить минимальное расстояние а, на которое приблизится электрон к поверхности сферы, если заряд ее Q = — 10 нКл.

345.Электрон, пройдя в плоском конденсаторе путь от одной пластины до другой, приобрел скорость v = = 10⁵ м/с. Расстояние между пластинами d = 8 мм. Найти: 1) разность потенциалов U между пластинами; 2) поверхностную плотность заряда о на пластинах.

юз

346.Пылинка массой т — 5 нг, несущая на себе N = = 10 электронов, прошла в вакууме ускоряющую раз­ность потенциалов U = 1 MB. Какова кинетическая энер­гия Т пылинки? Какую скорость v приобрела пылинка?

347.Какой минимальной скоростью v_min должен обла­дать протон, чтобы он мог достигнуть поверхности заря­женного до потенциала ср = 400 В металлического шара (рис. 29)?

348.В однородное электрическое поле напряжен­ностью Е = 200 В/м влетает (вдоль силовой линии) электрон со скоростью v₀ = 2 Мм/с. Определить расстоя­ние /, которое пройдет электрон до точки, в которой его скорость будет равна половине начальной.

349.Электрическое поле создано бесконечной заря­женной прямой линией с равномерно распределенным зарядом (т = 10 нКл/м). Определить кинетическую энер­гию Т₂ электрона в точке 2, если в точке / его кинетиче­ская энергия Т_х = 200 эВ (рис. 30).

 

г
—л		--------	1 —-о
< " >		2а

Рис. 29

Рис. 30

350.Электрон движется вдоль силовой линии одно­родного электрического поля. В некоторой точке поля с потенциалом ф] = 100 В электрон имел скорость V\ = = 6 Мм/с. Определить потенциал ф₂ точки поля, дойдя до которой электрон потеряет половину своей скорости.

351.Конденсаторы емкостью С\ = Ъ мкФ и Сг = = 10 мкФ заряжены до напряжений U\ = 60 В и U₂ = = 100 В соответственно. Определить напряжение на об­кладках конденсаторов после их соединения обкладками, имеющими одноименные заряды.

352.Конденсатор емкостью С\ = 10 мкФ заряжен до напряжения U = 10 В. Определить заряд на обкл